Криогенный трубопровод

Изобретение относится к области криогенной техники, а именно к созданию трубопроводов для транспортировки криогенных жидкостей под давлением. Устройство позволяет повысить безопасность и снизить затраты на эксплуатацию за счет обеспечения проведения пневмоиспытаний с использованием метода акустической эмиссии криогенных трубопроводов, работающих под давлением, без вскрытия внешнего герметичного кожуха. В одну или более теплоизолирующих опор, разделяющих внутреннюю трубу и герметичный кожух криогенного трубопровода, вмонтирована акустопрозрачная вставка так, что обеспечивается акустический контакт между внутренней трубой и внешним кожухом. 1 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к области криогенной техники, а именно к созданию трубопроводов для транспортировки криогенных жидкостей под давлением.

Известны криогенные трубопроводы (а.с. СССР №№ 823737, 1296781, 1366758, 1588048), состоящие из собственно трубопровода и охватывающего его кожуха, пространство между которыми вакуумировано. Недостатком таких трубопроводов является невозможность проведения пневмоиспытаний на прочность с использованием метода акустической эмиссии без разборки трубопровода.

Известны способы проведения пневмоиспытаний на прочность криогенных емкостей и трубопроводов, работающих под давлением, с применением метода акустической эмиссии, описанные в руководящих документах (ПБ 10-115-95 «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», РД 2082-18-99 «Резервуары криогенные. Программа технического диагностирования и определения остаточного ресурса»).

В указанных способах акустико-эмиссионный контроль (далее АЭ-контроль) проводится при вскрытии герметичного наружного кожуха трубопровода, снятии изоляции и обеспечении прямого доступа к внутренней трубе. Указанные операции приводят к существенному увеличению затрат на проведение испытаний.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является криогенный трубопровод, описанный в книге: В.П.Беляков. Криогенная техника и технология. - М.: Энергоиздат, 1982 г. - с.49-52. Криогенный трубопровод состоит из внутренней трубы и наружного кожуха, пространство между которыми вакуумировано и заполнено экранно-вакуумной теплоизоляцией. Труба и кожух разделены неметаллическими малотеплопроводными опорами, а также конусными металлическими тепловыми мостами, обеспечивающими герметичность отдельных секций вакуумной полости трубопровода.

Указанная конструкция позволяет проводить пневмоиспытания с использованием метода акустической эмиссии при установке датчиков на наружный кожух в районе звукопроводных конусных тепловых мостов.

Однако размеры отдельных секций трубопровода достаточно велики, так что расстояние между тепловыми мостами составляет 50 м и более. Это приводит к потере мощности сигнала акустической эмиссии в случае наличия дефектов во внутренней трубе и повышению опасности разрушения трубопровода в случае необнаружения дефекта.

Задачей изобретения является создание криогенного трубопровода, внутренняя труба и кожух которого разделены теплоизолирующими опорами, отличающегося тем, что в одну или более опор вмонтирована акустопрозрачная вставка, позволяющая получить акустический сигнал без вскрытия наружного герметичного кожуха.

Акустопрозрачная вставка является дополнительным проводником сигналов акустической эмиссии, в связи с чем потери мощности сигналов в случае наличия дефектов на внутренней трубе оказываются меньше. Вероятность обнаружения дефектов при пневмоиспытаниях возрастает, что повышает безопасность эксплуатации криогенного трубопровода. Кроме того, возможность проведения испытаний без разборки конструкции трубопровода существенно снижает затраты на эксплуатацию.

Предлагаемый криогенный трубопровод представлен на чертеже. Наружный кожух 1 и внутренняя труба 2 разделены теплоизолирующими опорами 3. В опоры 3 вмонтированы акустопрозрачные вставки 4, обеспечивающие акустический контакт между кожухом и трубой.

Работает устройство следующим образом.

В режиме нормальной эксплуатации теплоизолирующие опоры 3 обеспечивают разделение и центровку внутренней трубы 2 и наружного кожуха 1.

При проведении пневмоиспытаний датчики акустической эмиссии устанавливаются на внешней поверхности наружного кожуха 1 в районе контакта опор 3 с внутренней поверхностью кожуха. В полость внутренней трубы 2 подается воздух, и при возрастании давления в случае наличия дефектов трубы 2 возникают сигналы акустической эмиссии. Они передаются по звукопроводящему материалу трубы 2, акустопрозрачным вставкам 4 в опорах 3, материалу кожуха 1 и поступают на датчики акустической эмиссии.

Покажем, что, несмотря на некоторое увеличение теплопритоков по акустопрозрачным вставкам, суммарные затраты на эксплуатацию будут уменьшены.

В качестве примера акустопрозрачной вставки можно взять цилиндрический стержень диаметром 5 мм и длиной 0,5 м, выполненный из стали Ст3 сп4.

Очевидно, что установка данной акустопрозрачной вставки увеличит теплоприток и, как следствие, увеличит потери криогенного продукта. Данные потери можно посчитать следующим образом:

где Q - тепловой поток через установленную акустопрозрачную вставку, Вт;

F - площадь поперечного сечения акустопрозрачной вставки, м²;

λ - коэффициент теплопроводности акустопрозрачной вставки, Вт/мК;

- длина акустопрозрачной вставки, м;

t_oc - температура окружающей среды, К;

t_пр - температура криогенного продукта, К.

Площадь поперечного сечения акустопрозрачной вставки равна:

Массовые потери в единицу времени, равную 1 с, находятся:

где - массовые потери криогенного продукта в единицу времени, кг/с;

r - теплота фазового перехода, Дж/кг.

Потери криогенного продукта за промежуток времени между двумя последовательными обследованиями определяются следующим образом:

где M - потери криогенного продукта, кг;

Δτ - промежуток времени между двумя последовательными обследованиями, с.

Исходя из вышеизложенного можно определить стоимость потерь криогенного продукта за промежуток времени между двумя последовательными обследованиями с учетом стоимости продукта на данный момент:

где С - стоимость потерь криогенного продукта, руб.;

- удельная стоимость продукта, руб. за тонну.

Подставим в формулы численные значения величин:

d=5·10^-3 м,

=0,5 м,

λ=14 Вт/мК, для стали Ст 3,

t_oc=290 К,

t_пр=90 К,

Δτ=157788·10³ с,

r=200 Дж/кг,

=20000 руб. за тонну.

Тепловой поток через установленную акустопрозрачную вставку равен:

Массовые потери криогенного продукта в единицу времени равны:

Потери криогенного продукта за промежуток времени между двумя последовательными обследованиями равны:

М=0,0001·157788·10³=15779 кг=15,8 т.

Стоимость потерь криогенного продукта:

с=15,8·20000=316000руб. - за промежуток времени между двумя последовательными техническими диагностированиями, равный 5 годам.

На данный момент, чтобы успешно провести испытания криогенного трубопровода с применением метода акустической эмиссии, необходимо затратить средства на выполнение следующих работ:

- затраты на вскрытие внешнего кожуха;

- затраты на снятии теплоизоляции;

- затраты на работы внутри вакуумной полости;

- затраты на восстановление теплоизоляции;

- затраты на восстановление герметичности внешнего кожуха;

- затраты на вакуумирование;

- затраты на вакуумные испытания.

Опыт эксплуатации криогенных трубопроводов показывает, что затраты на перечисленные работы оцениваются примерно в 5 млн. руб.

Таким образом, экономия средств за межрегламентный период составит около 4,7 млн. руб.

Предлагаемое устройство может быть использовано на крупных криогенных комплексах, являющихся объектом промышленной опасности: кислородных цехах металлургических заводов, а также системах заправки топливами ракет космического назначения.

Криогенный трубопровод, включающий внутреннюю трубу и герметичный наружный кожух, пространство между которыми вакуумировано, а труба и кожух разделены теплоизолирующими опорами, отличающийся тем, что в одну или более опор вмонтирована акустопрозрачная вставка так, что обеспечен акустический контакт между внутренним трубопроводом и кожухом.